继经典线程同步问题之后,我们来看看生产者消费者问题及读者写者问题。生产者消费者问题是一个著名的线程同步问题,该问题描述如下:有一个生产者在生产产品,这些产品将提供给若干个消费者去消费,为了使生产者和消费者能并发执行,在两者之间设置一个具有多个缓冲区的缓冲池,生产者将它生产的产品放入一个缓冲区中,消费者可以从缓冲区中取走产品进行消费,显然生产者和消费者之间必须保持同步,即不允许消费者到一个空的缓冲区中取产品,也不允许生产者向一个已经放入产品的缓冲区中再次投放产品。
这个生产者消费者题目不仅常用于操作系统的课程设计,也常常在程序员和软件设计师考试中出现。并且在计算机考研的专业课考试中也是一个非常热门的问题。因此现在就针对这个问题进行详细深入的解答。
首先来简化问题,先假设生产者和消费者都只有一个,且缓冲区也只有一个。这样情况就简便多了。
第一.从缓冲区取出产品和向缓冲区投放产品必须是互斥进行的。可以用关键段和互斥量来完成。
第二.生产者要等待缓冲区为空,这样才可以投放产品,消费者要等待缓冲区不为空,这样才可以取出产品进行消费。并且由于有二个等待过程,所以要用二个事件或信号量来控制。
考虑这二点后,代码很容易写出来。另外为了美观起见,将消费者的输出颜色设置为彩色,有关如何在控制台下设置彩色输出请参阅《VC控制台颜色设置》。
//1生产者 1消费者 1缓冲区 //使用二个事件,一个表示缓冲区空,一个表示缓冲区满。 //再使用一个关键段来控制缓冲区的访问 #include <stdio.h> #include <process.h> #include <windows.h> //设置控制台输出颜色 BOOL SetConsoleColor(WORD wAttributes) { HANDLE hConsole = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE); if (hConsole == INVALID_HANDLE_VALUE) return FALSE; return SetConsoleTextAttribute(hConsole, wAttributes); } const int END_PRODUCE_NUMBER = 10; //生产产品个数 int g_Buffer; //缓冲区 //事件与关键段 CRITICAL_SECTION g_cs; HANDLE g_hEventBufferEmpty, g_hEventBufferFull; //生产者线程函数 unsigned int __stdcall ProducerThreadFun(PVOID pM) { for (int i = 1; i <= END_PRODUCE_NUMBER; i++) { //等待缓冲区为空 WaitForSingleObject(g_hEventBufferEmpty, INFINITE); //互斥的访问缓冲区 EnterCriticalSection(&g_cs); g_Buffer = i; printf("生产者将数据%d放入缓冲区\n", i); LeaveCriticalSection(&g_cs); //通知缓冲区有新数据了 SetEvent(g_hEventBufferFull); } return 0; } //消费者线程函数 unsigned int __stdcall ConsumerThreadFun(PVOID pM) { volatile bool flag = true; while (flag) { //等待缓冲区中有数据 WaitForSingleObject(g_hEventBufferFull, INFINITE); //互斥的访问缓冲区 EnterCriticalSection(&g_cs); SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN); printf(" 消费者从缓冲区中取数据%d\n", g_Buffer); SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE); if (g_Buffer == END_PRODUCE_NUMBER) flag = false; LeaveCriticalSection(&g_cs); //通知缓冲区已为空 SetEvent(g_hEventBufferEmpty); Sleep(10); //some other work should to do } return 0; } int main() { printf(" 生产者消费者问题 1生产者 1消费者 1缓冲区\n"); printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n"); InitializeCriticalSection(&g_cs); //创建二个自动复位事件,一个表示缓冲区是否为空,另一个表示缓冲区是否已经处理 g_hEventBufferEmpty = CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, NULL); g_hEventBufferFull = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL); const int THREADNUM = 2; HANDLE hThread[THREADNUM]; hThread[0] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ProducerThreadFun, NULL, 0, NULL); hThread[1] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL); WaitForMultipleObjects(THREADNUM, hThread, TRUE, INFINITE); CloseHandle(hThread[0]); CloseHandle(hThread[1]); //销毁事件和关键段 CloseHandle(g_hEventBufferEmpty); CloseHandle(g_hEventBufferFull); DeleteCriticalSection(&g_cs); return 0; }
运行结果如下所示:
可以看出生产者与消费者已经是有序的工作了。
然后再对这个简单生产者消费者问题加大难度。将消费者改成2个,缓冲池改成拥有4个缓冲区的大缓冲池。
如何来思考了这个问题了?首先根据上面分析的二点,可以知道生产者和消费者由一个变成多个的影响不大,唯一要注意的是缓冲池变大了,回顾一下《秒杀多线程第八篇
经典线程同步 信号量Semaphore》中的信号量,不难得出用二个信号量就可以解决这种缓冲池有多个缓冲区的情况——用一个信号量A来记录为空的缓冲区个数,另一个信号量B记录非空的缓冲区个数,然后生产者等待信号量A,消费者等待信号量B就可以了。因此可以仿照上面的代码来实现复杂生产者消费者问题,示例代码如下:
运行结果如下图所示:
输出结果证明各线程的同步和互斥已经完成了。
下面再用互斥锁和信号量来完成,代码:
#include<iostream> #include <process.h> #include <windows.h> using namespace std; const int PRODUCT_NUMBER=10;//生产者生产的产品总量 const int BUFFER_SIZE=4; //缓冲区个数 int g_Buffer[BUFFER_SIZE]; int g_i,g_j,g_count; HANDLE g_hBufferFull,g_hBufferEmpty,g_Mutex; BOOL SetConsoleColor(WORD dw) { HANDLE hConsole=GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE); if (hConsole==INVALID_HANDLE_VALUE) { return FALSE; } return SetConsoleTextAttribute(hConsole,dw); } unsigned int __stdcall ProducerThread(LPVOID pM) { for (int i=1;i<=PRODUCT_NUMBER;i++) { WaitForSingleObject(g_hBufferEmpty,INFINITE); //EnterCriticalSection(&g_CS); WaitForSingleObject(g_Mutex,INFINITE);//进入互斥区 g_Buffer[g_i]=i; cout<<"生产者"<<GetCurrentThreadId()<<"向缓冲区"<<g_i<<"中写入数据"<<i<<endl; g_i=(g_i+1)%BUFFER_SIZE; //LeaveCriticalSection(&g_CS); ReleaseMutex(g_Mutex);////离开互斥区 //SetEvent(g_hBufferFull); ReleaseSemaphore(g_hBufferFull,1,NULL); } return 0; } unsigned int __stdcall ConsumerThread(LPVOID pM) { bool flag=TRUE; while (flag) { WaitForSingleObject(g_hBufferFull,INFINITE); //EnterCriticalSection(&g_CS); WaitForSingleObject(g_Mutex,INFINITE); SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN); cout<<"消费者"<<GetCurrentThreadId()<<"从冲区"<<g_j<<"中取出数据"<<g_Buffer[g_j]<<endl; g_j=(g_j+1)%BUFFER_SIZE; SetConsoleColor(FOREGROUND_RED|FOREGROUND_GREEN|FOREGROUND_BLUE); if (++g_count==PRODUCT_NUMBER) { flag=FALSE; SetConsoleColor(FOREGROUND_RED); cout<<"生产消费完成,程序结束"<<endl; SetConsoleColor(FOREGROUND_RED|FOREGROUND_GREEN|FOREGROUND_BLUE); } //LeaveCriticalSection(&g_CS); ReleaseMutex(g_Mutex); //SetEvent(g_hBufferEmpty); ReleaseSemaphore(g_hBufferEmpty,1,NULL); } return 0; } int main() { //InitializeCriticalSection(&g_CS); /*g_hBufferFull=CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,NULL); g_hBufferEmpty=CreateEvent(NULL,FALSE,TRUE,NULL);*/ g_Mutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); g_hBufferFull=CreateSemaphore(NULL,0,4,NULL); g_hBufferEmpty=CreateSemaphore(NULL,4,4,NULL); const int THREADNUM = 2; HANDLE hThread[THREADNUM]; g_i=0,g_j=0,g_count=0; hThread[0]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0,ProducerThread,NULL,0,NULL); hThread[1]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0,ConsumerThread,NULL,0,NULL); WaitForMultipleObjects(THREADNUM,hThread,TRUE,INFINITE); for (int i=0;i<THREADNUM;i++) { CloseHandle(hThread[i]); } CloseHandle(g_Mutex); CloseHandle(g_hBufferFull); CloseHandle(g_hBufferEmpty); return 0; }
至此,生产者消费者问题已经圆满的解决了,下面作个总结:
1.首先要考虑生产者与消费者对缓冲区操作时的互斥。
2.不管生产者与消费者有多少个,缓冲池有多少个缓冲区。都只有二个同步过程——分别是生产者要等待有空缓冲区才能投放产品,消费者要等待有非空缓冲区才能去取产品。